Скачать: kursovaya-po-tsa-drs.zip [73,93 Kb] (cкачиваний: 29)

1. ВВЕДЕНИЕ.

Развитие промышленного производства характеризуется непрерывным укрупнением и усложнением технологических агрегатов, повышением скоростей и других параметров технологических процессов.

Во многих отраслях промышленности определилась тенденция к автоматизации производства путем создания автоматических линий, поточно-транспортных систем, устройств программного управления механизмами. Существенное повышение экономической эффективности производства достигается путем создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) с использованием управляющих вычислительных машин (УВМ).

Автоматизированные системы управления агрегатами и технологическими процессами, построенные на основе управляющих логических устройств и выполняющие логические функции, называются системами логического типа. Кроме управляющих логических устройств в такие системы входят технические средства для управления позиционными исполнительными механизмами, выполнения функций контроля, сигнализации и защиты, реализации программного управления последовательностью операций по заданному алгоритму. В более сложных системах управления предусматриваются автоматическая смена алгоритмов, изменение уставок регуляторов непрерывного действия, сбор и передача информации на пост управления и в УВМ.

Сложные системы управления логического типа имеют, как правило, двух- или трехъярусную структуру и иерархический принцип построения. Нижний ярус системы состоит из комплекса логических блоков, обеспечивающих выполнение логических операций управления по заданному алгоритму. Второй ярус системы включает в себя устройства управления блоками первого яруса и выполняет функции программного управления агрегатами и группами механизмов. Третий ярус системы автоматически формирует требуемый алгоритм управления в зависимости от изменения условий и режима технологического процесса.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами и сложными агрегатами характеризуются большим объемом перерабатываемой информации, сложными алгоритмами управления и высокой скоростью обработки информации.

Ритмичность и бесперебойность технологических процессов, обеспечение выполнения плановых производственных и экономических показателей в значительной степени зависят от надежности элементов и от качества технического обслуживания управляющих логических устройств.

Происходят глубокие изменения в принципах и методах проектирования, изготовления и технического обслуживания управляющих логических устройств промышленной автоматики: создаются унифицированные устройства управления технологическими процессами и механизмами, внедряются индустриальные методы изготовления и монтажа блоков и бесконтактных станций управления.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Счетчик воды вихревой ультразвуковой СВУ предназначен для измерения объема воды, закачиваемой в нагнетательные скважины систем поддержания пластового давления на нефтяных месторождениях.

Счетчики данного типа эксплуатируются на кустах нагнетательных скважин, кустовых насосных станциях (КНС) и на отдельных скважинах.

Датчик ДРС предназначен для преобразования объема жидкости в выходной сигнал, представленный числом электрических импульсов с ценой импульса 0, 001 м³, и может работать как в комплекте с блоком БПИ, так и отдельно от него в составе информационно-измерительных систем.

Датчики ДРС могут устанавливаться в насосных блоках, кустовых насосных станциях, в блоках водораспределительных гребенок и на отдельных скважинах.

Область применения - промышленные предприятия, объекты ком­мунально-бытового назначения.

Датчик расхода может устанавливаться в помещениях или на от­крытом воздухе (под навесом) и эксплуатироваться при температуре окру­жающего воздуха от минус 45 до плюс 50°С и относительной влажности воз­духа до 95 % при температуре 35 °С.

Датчик расхода сохраняет работоспособность после замерзания и последующего оттаивания рабочей жидкости в проточной части датчика рас­хода, а также при образовании наледи или отложений осадков на проточной части датчика расхода толщиной не более 1 мм.

Блок БПИ обеспечивает:

- электрическое питание подключаемых датчиков ДРС (от 1 до 4);

-масштабирование и формирование выходных, сигналов, датчиков ДРС по четырем независимым измерительным каналам (каналам масштабирования) с ценой импульса по каждому из каналов 0,1 м³;

- накопление информации об объемах протекающей жидкости на шестиразрядных отсчетных устройствах с ценой единицы младшего разряда 0,1 м³.

Блок БПИ устанавливается в закрытых нерегулярно отапливаемых помещениях, пунктах контроля и управления, блоках местной автоматики; щитовых помещениях и других при температуре окружающего воздуха от минус 40 до +50 °С (кроме цифрового отсчетного устройства, которое должно работать при температуре окружающего воздуха от - 10 до + 40 °С) и относительной влажности до 98% при температуре +35°С.

2.1. Технические данные.

Измеряемая среда – вода пресная (речная), подтоварная (поступающая с установок подготовки нефти), пластовая (минерализованная), их смеси. Измеряемая среда должна быть неагрессивной и может образовывать твердые осадки в рабочей полости датчика ДРС толщиной до 1 мм.

Параметры измеряемой среды:

- концентрация нефтепродуктов, г/л, не более………………………..…….1,0;

- концентрация солей, г/л, не более…………………………………………20,0;

- концентрация твердых частиц, г/л, не более ………………………………1,0;

- максимальный поперечный размер твердых частиц, мм, не более……….3,0;

- давление, МПа…………………………………………………………..0,6-20,0;

- температура, °С…………………………………………………………4,0-60,0;

Диаметр условного прохода присоединяемого трубопровода, мм………100;

Основные параметры датчика ДРС приведены в таблице 1.

Изменение напряжение питания постоянного тока датчика ДРС 20,4-26,4 В.

Изменение длины линии связи между датчиком ДРС и блоком БПИ до

250 м.

Изменение длины прямолинейного участка трубопровода до минимального значения, равного 500 мм, на входе датчика ДРС и 300 мм на его выходе.

Потеря гидравлического напора на датчике ДРС при наибольшем эксплуатационном расходе, МПА, не более ...............................................0,05.

Датчик ДРС обеспечивает преобразование объема протекающей жидкости в числоимпульсный сигнал, представленный периодическим изменением электрического сопротивления выходной цепи:

- низкое сопротивление выходной цепи, Ом, не более…………………….200;

- высокое сопротивление выходной цепи, Ом, не менее……………..…60000;

- предельно допускаемый ток, мА, не менее (не более)………………..20 (50);

- предельно допускаемое напряжение на зажимах выходной цепи при ее высоком сопротивлении, В…………………………………………………..30.

Таблица 1

Питание блока БПИ осуществляется от однофазной сети переменного тока с параметрами:

-напряжение, В.................................................................................220(+22)(-33);

-частота, Гц ..........................................................................50±2;

Питание датчиков ДРС осуществляется от блока БПИ или другого источника постоянного тока с нормальным напряжением 24В и предельным отклонением от –15 до +10 %.

Потребляемая мощность:

датчика ДРС, Вт, не более…………………………………………..…………3.

блока БПИ, при отключенных датчиках ДРС, В·А, не более......................11;

Соединение каждого датчика ДРС с блоком БПИ осуществляется с помощью неэкранированного кабеля с параметрами:

- количество жил, шт, не менее ........................................................................4;

- активное сопротивление каждой жилы, Ом/км, не более .......................20,0;

- емкость, мкФ/км, не более ..........................................................................0,1;

- длина кабеля, м, не более ...........................................................................250.

Основная относительная погрешность ДРС не должна превышать нижеприведенных значений (Рисунок 1):

Рис. 1.

2.2. Устройство и работа счетчика.

Устройство счетчика поясняется блок-схемой (Приложение 1).

СВУ состоит из датчика ДРС и блока БПИ, соединенных четырехжильным кабелем К. Датчик ДРС преобразует объем измеряемой среды, проходящей через него, в пропорциональное число электрических импульсов с ценой одного импульса 10^-3м³. Выходной числоимпульсный сигнал датчика ДРС поступает в блок БПИ, выполняющий функции масштабирования, интегрирования и суммирования импульсной последовательности. Выходные сигналы блока БПИ также числоимпульсные сценой импульса 0,1 м³ по каналам масштабирования.

К одному блоку БПИ может быть подключено от одного до четырех датчиков ДРС (Приложение 1).

Блок БПИ и датчик ДРС являются конструктивно и функционально законченными составными частями счетчика и обеспечивают взаимозаменяемость без подстроек, дополнительной градуировки и поверки.

Составные части датчика ДРС (преобразователи ПР и ПНП) также являются конструктивно и функционально законченными частями датчика ДРС и обеспечивают взаимозаменяемость без дополнительной подстройки и поверки (при замене ПР или ПНП требуется лишь установка во вновь устанавливаемом ПНП паспортного значения коэффициента преобразования ПР К_пр и коэффициента коррекции К₀).

2.3. Устройство и работа датчика ДРС.

Устройство ДРС поясняется блок-схемой (Приложение 2).

Набегающий поток образует за телом обтекания (ТО) вихревую дорожку, состоящую из двух цепочек вихрей, образующихся на верхней и нижней кромках ТО и перемещающихся вместе с потоком.

Принцип действия датчика основан на регистрации каждого из вихрей путем «просвечивания» потока ультразвуковым лучом, направленным перпендикулярно оси ТО. После взаимодействия ультразвуковых колебаний с цепочкой вихрей (вихревой дорожкой) сигнал, принятый пьезоприемником ПП, оказывается модулированным по фазе. Модулированный сигнал с выхода ПП (Схема 2) через согласующий трансформатор Т2 поступает на ограничитель амплитуды О1 и далее на формирователь сигнала, с выхода которого импульсы прямоугольной формы поступают на один из входов фазового детектора ФД. Работа ФД основана на преобразовании фазового сдвига между опорным напряжением U₀, поступающим с кварцевого генератора Г, и напряжением сигнала, поступающим с выхода Ф1, в последовательность импульсов, длительность которых пропорциональна разности фаз между указанными сигналами.

Сигнал с выхода ФД поступает на двухзвенный пассивный RC-фильтр нижних частот (ФНЧ), где подавляется несущая частота и другие высокочастотные составляющие сигнала.

Окончательная частотная селекция полезного сигнала в рабочей полосе частот, соответствующей рабочему диапазону расходов, производится двухзвенным фильтром высоких частот ФВЧ.

Узел автоматической регулировки усиления (АРУ) обеспечивает стабилизацию входного напряжения формирователя сигнала Ф2 а уровне (1,00±0,25) В в рабочем диапазоне расходов.

Формирователь сигнала Ф2, чувствительность которого ±(60…80) мВ, устанавливается резистором R26 и формирует импульсы прямоугольной формы.

Напряжение сигнала с выхода формирователя Ф2 поступает на вход одностороннего ограничителя О3 и далее, на вход генератора ГП. Генератор ГП с приходом каждого очередного импульса сигнала вырабатывает пачку импульсов опорной частоты, поступающих с генератора Г. Число импульсов в пачке задается с помощью диодов наборного поля П1 и выключателя S1.

С выхода генератора ГП импульсы поступают на вход делителя частоты Д4 с фиксированным коэффициентом деления, и далее, на вход узла гальванической развязки УГР.

Устройство коррекции УК через фиксированные промежутки времени блокирует работу генератора ГП. Длительность промежутков времени определяется состоянием выключателя S2.

Питание элементов схемы осуществляется от стабилизирующего преобразователя СП, преобразующего напряжение питания +24 В в напряжение постоянного тока +12 В, -12 В и +9 В.

Питание пьезоизлучателя ПИ осуществляется от кварцевого генератора Г через согласующий трансформатор Т1.

2.4. Устройство и работа блока БПИ.

Блок БПИ обеспечивает:

- питание датчиков ДРС нестабилизированным напряжением 24В игальваническую развязку цепей питания датчиков;

- прием, преобразование и передачу в систему телемеханики сигналов с датчиков расхода;

- опрос датчиков расхода по сигналам системы телемеханики;

- индикацию расхода по каждому датчику.

Работа блока БПИ поясняется структурной схемой, приве­денной в приложении 3. Выходные сигналы от датчиков ДРС с ценой импульса10^{-3 м3}через канальные масштабные преобразователи КМП1 – КМП4 поступают на входы коммутатора каналов КК и далее через формирователи сигналов Ф1 и Ф2 на входы ТИИ1 и ТИИ2 аппаратуры КП системы телемеханики. КМП1 – КМП4 представляют собой делители частотыc коэффициентом деления 100. На вход ТИИ1 переключаются поочерёдно выходы КМП1 - КМП4, а на вход ТИИ2 только выходы КМП2 и КМП4. Подключение выходов КМП ко входам ТИИ1 и ТИИ12 производится по сигналу "ПС", поступающему с КП на устройство управления УУ, которое вырабатывает соответствующие управляющие сигналы, поступающие на управляющие входы коммутатора КК. Условный номер очередного подключенного канала двухразрядным двоичным параллельным кодом, вырабатываемым устройством УУ, передаётся на входы КС1 - КСЗ.

При наличии перемычки между "Вых.5" и "Кол. каналов" к входу ТИИ1 подключаются выходы КМП1, КМПЗ ; к входу ТИИ2 – выходы КМП2, КМП4.

С выходов КМП1 - КМП4импульсные последовательности, с ценой импульса 0,1 м³подаются на формирователи Ф3 – Ф6 и далее электромеханические счётчики импульсов ЭMС1 - ЭМС4, осуществляющие функцию интегрирования импульсных последовательностей, поступающих с датчиков. Съём показаний об объёме жидкости, прошедшей через датчики ДРС, производится по цифровым отсчётным устройствам счетчиков ЭМС1 - ЭМС4 с ценой единицы младшего разряда 0,1 м³.

Каждый из формирователей Ф7 – Ф9 выполняет функцию преобразования импульсного сигнала, поступающего с выхода устройства УУ, в сигнал, представленный периодическим изменением электрического сопротивления выходной цепи с параметрами, обеспечивающими нормальную работу аппаратуры КП. В формирователях Ф7 – Ф9 используется напряжение питания -27 В, поступающее из КП. Импульсные сигналы, поступающие с датчиков, подключаются поочередно ко входу преобразователя "частота-ток" ПЧТ с помощью кнопочного коммутатора КН. На выход преобразователя ПЧТ подключен стрелочный индикатор И, по которому индицируется наличие расхода жидкости в каждом из датчиков ДРС. Выбор требуемой чувствительности стрелочного индикатора И осуществляется тумблером SI.

Источник питания ИП преобразует напряжение сети 220 В, 50 Гц в следующие напряжения постоянного тока:

- 24 В для дистанционного питания датчиков ДРС;

2.5. Подготовка изделия к использованию

Запрещается устанавливать датчик расхода на трубопроводах с давлением выше условного давления датчика расхода.

Монтаж и демонтаж датчика расхода производить только при от­сутствии давления в участке трубопровода с, установленным датчиком расхода.

Размораживание датчика расхода допускается путем нагрева корпуса преобразователя расхода ПР паром, горячей водой или др. средствами с температурой не выше 100 °С. Соединительный кабель и корпус преобразова­теля ПНП при этом должны быть защищены от теплового воздействия.

Перед вводом датчика расхода в эксплуатацию необходимо убе­диться в надежности подключения датчика к местному контуру заземления. Наименьшее сечение медных заземляющих проводников должно быть 4 мм² .

Трубопровод в месте установки датчика расхода не должен испытывать постоянно действующих вибраций и тряски. Допустимый уровень вибрации частотой до 80 Гц и амплитудой до 0,15 мм.

Допускается промывка трубопровода с датчиком расхода потоком жидкости обратного направления.

2.6. Порядок установки

Датчик расхода при отсутствии устройства, стабилизирующего эпюру потока, устанавливается на прямолинейном участке трубопровода, рас­положенным под любым углом к горизонтальной плоскости при условии пол­ного заполнения его измеряемой средой и длина которого перед измеритель­ным сечением должна быть не менее пяти диаметров трубы. Длина прямоли­нейного участка за измерительным сечением должна быть не менее трёх диаметров трубы.

Сварочные работы при установке фланцев на трубопроводе, производить с использованием вставки, входящей в комплект монтажных частей.

Датчик расхода необходимо установить таким образом, чтобы стрелка на его корпусе совпадала с направлением потока жидкости в трубо­проводе.

3.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

В процессе эксплуатации приборов должны проводится периодические поверки и испытания.

Поверка средств измерения – установление органом Государственной метрологической (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности средства измерения к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждение их соответствия установленным обязательным требованиям.

В результате поверки вычисляют погрешности приборов (систематическую, абсолютную, относительную) и на основании числового значения погрешности делают вывод о годности прибора.

Систематическая погрешность – это составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величены.

В методике поверки указывается θ – граница суммарной систематической составляющей погрешности, а также θ – граница неисключенного остатка систематической погрешности, обусловленной погрешностью измерения температуры.

Абсолютная погрешность – это погрешность средства измерения, выраженная в единицах измеряемой физической величены.

Относительная погрешность – это погрешность СИ, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины.

Поверка преобразователя расхода ДРС

Результаты измерений занесены в таблицу 1

Таблица 1

Среднее значение вместимости в условиях поверки м³

Среднее количество импульсов

имп

Средняя температура за период измерений

°С

Среднее давление за период измерения

МПа

1. Вычислим коэффициент преобразования преобразователя расхода:

К₁ = 10642 / 0,468051 = 22736,84 имп/м³

К₂ = 10643 / 0,468052 = 22738,97 имп/м³

К₃ = 10642 / 0,468051 = 22736,84 имп/м³

К₄ = 10643 / 0,468052 = 22738,97 имп/м³

К₅ = 10642 / 0,468051=22736,84 имп/м³

имп/м³

2. Среднее значение коэффициента, учитывающего влияние температуры и давления у преобразователя:

К_{tp i} = 1 + 3 · a_т · (t_i – 20)

К_{tp i} = 1 + 3 · a_т · (t_i – 20)

К_{tp 1}= 1 + 3 × 0,0000112 × (13,3– 20) = 0,99977488

К_{tp 2}= 1 + 3 × 0,0000112 × (13,3– 20) = 0,99977488

К_{tp 3}= 1 + 3 × 0,0000112 × (13,3 – 20) = 0,99977488

К_{tp 4}= 1 + 3 × 0,0000112 × (13,3 – 20) = 0,99977488

К_{tp 5}= 1 + 3 × 0,0000112 × (13,3 – 20) = 0,99977488

где a_т = 0,0000112 °С^-1– коэффициент линейного расширения материала стенок ПР.

3. Для проверки значения вместимости используют следующую формулу:

V_i= V₀ × К_{tp i}

V₁= V₂ = V₃ = V₄ = V₅ = 0,468120 × 0,99977488 = 0,468014 м³

Где V₀ – вместимость в нормальных условиях.

4. Определим расход Q в м³ /ч по выходной частоте датчика расхода, по формуле:

Q=3600Кf_вых (1)

где f_вых - частота импульсной последовательности с выхода датчика расхода.

К - цена выходного импульса (см. таблицу).

Q=3600∙1∙10^-3∙50=180 м³/ч

5. Расчет потери давления ∆Р_i (кПа) на датчике расхода производится по формуле:

∆P_i = Кд_у ∙ (Q_i)² (2)

где Q_i - объемный расход жидкости через датчик расхода, м ³/ч;

Кд_у - конструктивный коэффициент, зависящий от размеров проточной части датчика расхода, равный:

- 0,2∙10^-3 - для датчика расхода ДРС.

∆P=0.2∙10^-3∙180²=0.648

6. Вычислим среднее квадратичное отклонение случайной составляющей погрешности преобразователя:

D₁ = (D₁)² = 0,000014

D₂ = (D₂)² = 0,000032

D₃ = (D₃)² = 0,000014

D₄ = (D₄)² = 0,000032

D₅ = (D₅)² = 0,000014

7. Вычислим относительную погрешность поверяемого преобразователя:

D₀ = Θ_∑ + t 0,95 · S₀ (D)

t0,95 = 2,2 – квантиль распределения Стьюдента при доверительной вероятности 0,95.

Θ_∑ – граница суммарной систематической составляющей погрешности поверяемого преобразователя:

а) Θ_t – граница неисключенного остатка систематической погрешности, обусловленной погрешностью измерения температуры

Θ_t = β_ж · ξ_t · 100 %

β_ж – коэффициент объемного расширения жидкости

при t = от 10 до 29,9°С – β_ж = 0,000736 °С^-1

при t = от 20 до 39,9°С – β_ж = 0,000726 °С^-1

ξ_t – погрешность измерения разности температуры:

ξ_tу и ξ_tпр берем из свидетельств о поверке (аттестации) или паспортов соответствующих средств измерений:

ξ_tпр = ξ_tу = 0,2°С – абсолютные погрешности термометров соответственно при измерении температуры у преобразователя.

б) Значения Θ_∑o и Θ_V берем из свидетельств о поверке (аттестации) или паспортов соответствующих средств измерений.

Θ_∑o = 0,051 % – граница суммарной систематической составляющей погрешности

Θ_V = 0,006 % – граница погрешности определения среднего значения вместимости

в) – систематическая составляющая погрешности преобразователя за счет усреднения коэффициента преобразования для рабочего диапазона расхода

Подставим в формулы числовые значения:

Θ_t = 0,000736 · 0,28 · 100 = 0,0206 %

%

D₀ = 0,06 + 2,2 · 0.005 = 0,071%

Вывод: На основании результатов измерений и вычислений преобразователь расхода ДРС признан годным с погрешностью D₀ = 0,071% (меньше установленной относительной погрешности преобразователя датчика расхода, равной – 1 или 1,5% в соответствии с заказом). Датчик расхода допущен к дальнейшей эксплуатации до следующей поверки, которая будет проводится по истечении года (за исключением внеплановых поверок).

Построение зависимостей Q(f) и K(Q) для преобразователя расхода ДРС.

На основании данных протокола поверки преобразователя расхода построим графики зависимости расхода от частоты выходного сигнала преобразователя и зависимости коэффициента преобразования преобразователя от расхода.

Исходные данные приведены в таблице 2

Таблица 2

Построим зависимости:

Вывод: Анализируя построенные зависимости можно сделать вывод, что эти зависимости линейные. Это говорит о достоверности результатов измерений, проводимых преобразователем, о точности и надежности измерений. В датчиках расхода использованы различные технические решения, направленные на улучшение конструкции и метрологических характеристик – линейности градуировочной характеристики, расширение диапазона измерений, совершенствование приборов на базе достижений электроники и т.д.